Thermal control of a complex of thermoelectric cooling devices

Abstract

The paper presents the results of research into the possibility of controlling a complex of thermoelectric cooling devices with parallel electrical connection in a non-uniform temperature field. Such formulation of the problem of creating systems for ensuring thermal conditions of radio-electronic equipment is relevant for on-board information systems, which are subject to stringent requirements for reliability and mass-size characteristics. Research are carried out for the most used temperature range from 295K to 250K in the range of power dissipation from 0.5 W to 15 W for different values of supply voltage. The model of the executive body of the system of thermal modes provision based on the complex of thermoelectric coolers with parallel electrical connection is developed. The model takes into account different dissipation power, non-uniform temperature field, different supply voltages and geometry of thermoelectric cell branches. The comparative analysis of basic parameters, reliability indices and dynamic functioning of the complex of thermoelectric coolers for different supply voltages, different temperature levels of cooling with the corresponding thermal load is carried out. The possibility of selecting the optimal supply voltage taking into account the limitations on the operating current, mass, energy, dynamic and reliability characteristics of the thermoelectric cooler complex is shown. The analysis of the research results has shown the possibility of choosing the nominal of supply voltages taking into account the limitations on mass- size, energy, dynamic and reliability characteristics for different geometry of thermoelements branches.

У роботі представлено результати досліджень можливості керування комплексом термоелектричних охолоджувальних пристроїв з їхнім паралельним електричним з'єднанням у нерівномірному температурному полі. Така постановка задачі створення систем забезпечення теплових режимів радіоелектронної апаратури актуальна для бортових інформаційних систем, до яких висуваються жорсткі вимоги щодо надійності та масогабаритних характеристик. Дослідження виконано для найуживанішого температурного діапазону від 295К до 250К у діапазоні потужностей розсіювання від 0.5 Вт до 15 Вт для різних значень живильної напруги. Розроблено модель виконавчого органу системи забезпечення теплових режимів на основі комплексу термоелектричних охолоджувачів з паралельним електричним з'єднанням для керування тепловим режимом низки термозалежних елементів радіоелектронної апаратури з різною потужністю розсіювання в нерівномірному температурному полі для різних живильних напруг і геометрії гілок термоелементів. Проведено порівняльний аналіз основних параметрів, показників надійності та динамічності функціонування комплексу термоелектричних охолоджувачів для різних напруг живлення, різних температурних рівнів охолодження з відповідним тепловим навантаженням. Показано можливість вибору оптимальної напруги живлення з урахуванням обмежень за величиною робочого струму, масовими, енергетичними, динамічними та характеристиками надійності комплексу термоелектричних охолоджувачів. Аналіз результатів досліджень показав можливість вибору номіналу живильних напруг з урахуванням обмежень за масогабаритними, енергетичними, динамічними та характеристиками надійності для різної геометрії гілок термоелементів.